Questo diagramma schematico di una cella solare organica a film sottile mostra lo strato superiore, un modello, strato di dispersione ruvido, nel verde. Lo strato di film sottile organico, mostrato in rosso, è dove la luce viene intrappolata e viene generata la corrente elettrica. Il film è inserito tra due strati che aiutano a mantenere la luce contenuta all'interno del film sottile.
(PhysOrg.com) -- Le celle solari ultrasottili possono assorbire la luce solare in modo più efficiente rispetto a quelle più spesse, celle al silicio più costose da realizzare utilizzate oggi, perché la luce si comporta in modo diverso su scale intorno a un nanometro, dicono gli ingegneri di Stanford. Calcolano che configurando opportunamente gli spessori di più strati sottili di film, un film sottile di polimero organico potrebbe assorbire fino a 10 volte più energia dalla luce solare di quanto si pensasse possibile.
Nel liscio, bianco, mondo da camera bianca a forma di coniglietto di wafer di silicio e celle solari, si scopre che un po' di ruvidezza può fare molto, forse fino a rendere l'energia solare una fonte di energia accessibile, dicono gli ingegneri di Stanford.
La loro ricerca mostra che la luce che rimbalza all'interno della pellicola polimerica di una cella solare si comporta diversamente quando la pellicola è ultra sottile. Un film che è sottile su scala nanometrica ed è stato un po' sgrossato può assorbire più di 10 volte l'energia prevista dalla teoria convenzionale.
La chiave per superare il limite teorico sta nel mantenere la luce solare nella morsa della cella solare abbastanza a lungo da spremere da essa la massima quantità di energia, utilizzando una tecnica chiamata "light trapping". È come se stessi usando criceti che corrono su piccole ruote per generare la tua elettricità:vorrai che ogni criceto registri il maggior numero di miglia possibile prima che salti giù e scappi via.
"Più a lungo un fotone di luce è nella cella solare, maggiori sono le possibilità che il fotone venga assorbito, " ha detto Shanhui Fan, professore associato di ingegneria elettrica. L'efficienza con cui un dato materiale assorbe la luce solare è di fondamentale importanza nel determinare l'efficienza complessiva della conversione dell'energia solare. Fan è autore senior di un articolo che descrive il lavoro pubblicato online questa settimana da Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
La cattura della luce è stata utilizzata per diversi decenni con le celle solari al silicio e viene eseguita irruvidindo la superficie del silicio per far rimbalzare la luce in entrata all'interno della cella per un po' dopo che è penetrata. piuttosto che riflettere come fa su uno specchio. Ma nel corso degli anni, non importa quanto i ricercatori abbiano armeggiato con la tecnica, non potevano aumentare l'efficienza delle tipiche celle di silicio "macroscala" oltre una certa quantità.
Alla fine gli scienziati si sono resi conto che esisteva un limite fisico legato alla velocità con cui la luce viaggia all'interno di un dato materiale.
Ma la luce ha una duplice natura, a volte comportandosi come una particella solida (un fotone) e altre volte come un'onda di energia, e Fan e ricercatore post-dottorato Zongfu Yu hanno deciso di esplorare se il limite convenzionale alla cattura della luce fosse vero in un ambiente su scala nanometrica. Yu è l'autore principale del documento PNAS.
"Tutti noi pensavamo che la luce procedesse in linea retta, " Fan ha detto. "Per esempio, un raggio di luce colpisce uno specchio, rimbalza e vedi un altro raggio di luce. Questo è il modo tipico in cui pensiamo alla luce nel mondo macroscopico.
"Ma se si scende alle nanoscale che ci interessano, centinaia di milionesimi di millimetro in scala, si scopre che la caratteristica dell'onda diventa davvero importante."
La luce visibile ha lunghezze d'onda da 400 a 700 nanometri (miliardesimi di metro), ma anche su piccola scala, Fan ha detto, molte delle strutture analizzate da Yu avevano un limite teorico paragonabile al limite convenzionale dimostrato sperimentalmente.
"Una delle sorprese di questo lavoro è stata scoprire quanto sia robusto il limite convenzionale, " ha detto Fan.
Fu solo quando Yu iniziò a studiare il comportamento della luce all'interno di un materiale di una scala di lunghezza d'onda profonda - sostanzialmente più piccola della lunghezza d'onda della luce - che gli divenne evidente che la luce poteva essere confinata per un tempo più lungo, aumentare l'assorbimento di energia oltre il limite convenzionale su macroscala.
"La quantità di beneficio del confinamento su nanoscala che abbiamo mostrato qui è davvero sorprendente, " ha detto Yu. "Il superamento del limite convenzionale apre una nuova porta alla progettazione di celle solari altamente efficienti".
Yu ha determinato attraverso simulazioni numeriche che la struttura più efficace per sfruttare i vantaggi del confinamento su nanoscala era una combinazione di diversi tipi di strati attorno a un film sottile organico.
Ha inserito il film sottile organico tra due strati di materiale - chiamati strati di "rivestimento" - che hanno agito come strati confinanti una volta che la luce è passata attraverso quello superiore nel film sottile. In cima allo strato di rivestimento superiore, ha posizionato uno strato a superficie ruvida modellato progettato per inviare la luce in entrata in direzioni diverse mentre entrava nella pellicola sottile.
Variando i parametri dei diversi strati, è stato in grado di ottenere un aumento di 12 volte nell'assorbimento della luce all'interno del film sottile, rispetto al limite della macroscala.
Le celle solari su nanoscala offrono risparmi sui costi dei materiali, poiché i film sottili di polimero organico e altri materiali utilizzati sono meno costosi del silicio e, essendo su scala nanometrica, le quantità necessarie per le celle sono molto inferiori.
I materiali organici hanno anche il vantaggio di essere fabbricati in reazioni chimiche in soluzione, piuttosto che necessitare di lavorazioni ad alta temperatura o sottovuoto, come richiesto per la produzione di silicio.
"La maggior parte della ricerca in questi giorni sta esaminando molti diversi tipi di materiali per le celle solari, " Fan ha detto. "Dove questo avrà un impatto maggiore è in alcune delle tecnologie emergenti; Per esempio, nelle cellule organiche".
"Se lo fai bene, c'è un enorme potenziale ad esso associato, " ha detto Fan.
Aaswath Raman, uno studente laureato in fisica applicata, ha anche lavorato alla ricerca ed è coautore del documento.
